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문제 정의
- 본 연구에서는 자유 낙하형 충격시험기를 이용하여 고무재료의 충격실험을 수행하였다. 또한 ABAQUS/Explicit 를 이용하여 유한요소해석을 수행하였으며 , 실험결과와 비교하였다.
- 유한요소해석은 실험결과의 타당성 검증과 실험으로 얻을 수 없는 다양한 하중조건에서의 충격 해석 결과를 얻기 위해 수행되었다. 본 연구에서는 비선형해석과 충격해석이 가능한 ABAQUS/ Explicit 를 사용하였다 [7].
가설 설정
- 충격에너지는 내충격제 적용을 가정하여 휴대용전자기기의 낙하충격시 발생되는 파손조건에 따라 최대 0.3 ~ 1.5 J 의 충격에너지를 적용하였다. 충격실험에 사용되는 충격자의 중량은 3 N 이므로 최대 0.
제안 방법
- 고무의 재질변화에 따른 충격 특성은 5 종의 경도를 이용하였다. 5 종의 고무 경도는 제작사의 표기법에 따라 NR45, NR50, NR55, NR60, NR65 로 구분하였다. NR45 부터 NR65 까지의 IRHD (International Rubber Hardness Degree)고무경도는 5 회의 측정결과로부터 얻은 평균값을 취하였으며, 그 결과를 Table 1 에제시하였다.
- 또한 ABAQUS/Explicit 를 이용하여 유한요소해석을 수행하였으며 , 실험결과와 비교하였다. 고무 재료의 동적 물성을 측정하기 위해 충격실험으로부터 얻은 최대 변형량(max. displacement) 과 충격지속시간 (time duration)을 이용하여 동특성 시험을 수행하였으며, WLF 모델을 적용하여 높은 주파수 범위의동강성 (dynamic modulus)를 예측하였다.
- 고무 재료의 유한요소해석은 일반적으로 단순 인장(simple tension), 단순압축(simple compression), 순수전단(pure shear), 이죽인장(equi-biaxial tension)의 물성시험으로부터 얻은 비선형 재료상수를 이용하여 해석한다. 고무재료의 물성시험에 사용되는 시험속도는 50 ~ 500 mm/min의 시험속도를 규격에서 제시한다.
- 고무재료는 충격 시편의 내부에 적층된다. 고무시편의 두께와 직경에 대한다양한 형상비를 분석하기 위해 5, 10, 15, 20 mm의 고무 두께를 고려하였다. 충격흡수율 평가는 고무 재료가 적층되지 않은 충격시편을 기준시편으로 사용하였다.
- Iannace 등 [3] 은 충격하중을 받는 폴리프로필렌 (poly-propylene) 폼의 응력과 변형률 관계가 선형적으로 제시되는 것을 가정하여 고무의 충격 특성을 분석하였다. 그러나 탄성체의 충격현상에서 발생되는 정현파 충격하중을 고려한 것이 아니라 스텝 하중을 부여하여 수치적 방법으로 충격 특성을 분석하였다. 그러므로 쉽게 충격특성 결과를 얻을 수 있었으나 실질적인 충격현상에 대한 충격 흡수 특성을 계산한 것이 아니라 폼 재료의 동적 탄성계수 변화에 따른 충격흡수 경향을 분석하였다.
- 그러나 탄성체의 충격현상에서 발생되는 정현파 충격하중을 고려한 것이 아니라 스텝 하중을 부여하여 수치적 방법으로 충격 특성을 분석하였다. 그러므로 쉽게 충격특성 결과를 얻을 수 있었으나 실질적인 충격현상에 대한 충격 흡수 특성을 계산한 것이 아니라 폼 재료의 동적 탄성계수 변화에 따른 충격흡수 경향을 분석하였다.
- 본 연구는 직경이 29 mm, 두께가 13 mm 인 원주형 고무시편을 이용하여 충격흡수 특성을 분석하였으며, NR45 ~ NR65 까지 5 종의 다양한 경도변화에 따른 충격흡수 특성을 분석하였다. 형상 변화에 따른 특성분석은 적층된 고무의 두께를 5 ~ 20 mm 까지 변화시켜 분석하였으며, 연구결과는 다음과 같다.
- 7 mm) 을 부여하기가 어렵기 때문이다. 본 연구에서는 WLF 모델을 적용하여 높은 주파수 범위의 동적 탄성계수를 예측하는 방법을 사용하였다.
- 유한요소해석에 사용된 형상 모델은 실험에서 사용된 충격자와 충격시편의기하학적 형상데이터를 동일하게 모델링하였다. 유한요소모델은 계산시간 단축을 위해 2차원 형상으로 3차원 모델을 구성할 수 있는 축 대칭 요소 (CAX4R) 를 사용하여 모델링하였다. 충격자와 충격 시편은 충돌하기 직전의 모습으로 모델링 하였으며, 충격자 각각의 절점에 충격방향으로 충격 전의 속도를 부여하였다.
- NR45 부터 NR65 까지의 IRHD (International Rubber Hardness Degree)고무경도는 5 회의 측정결과로부터 얻은 평균값을 취하였으며, 그 결과를 Table 1 에제시하였다. 재질변화에 따른 충격흡수 특성을 분석하기 위한 고무시편의 형상은 직경 29 mm, 두께 13 mm 인 표준시편의 크기를 동일하게 적용하였다. 형상변화에 따른 충격 흡수 특성 분석은 직경은 29 mm 이며, 두께는 5 ~ 20 mm 까지 변화된 고무시편을 사용하였다.
- 충격시편의 형상변화에 따른 충격흡수율 특성 분석은 두께 (t) 와 직경 (D) 의 형상비 (t/D) 변화에 대한 특성을 실험하였다. 고무재료의 양단은 알루미늄블록으로 접착되었다.
- 5 J 의 충격에너지를 적용하였다. 충격실험에 사용되는 충격자의 중량은 3 N 이므로 최대 0.5 m 의 높이를 고려하여 충격 실험을 수행하였다. 이때 발생되는 낙하속도는 3.
- 유한요소모델은 계산시간 단축을 위해 2차원 형상으로 3차원 모델을 구성할 수 있는 축 대칭 요소 (CAX4R) 를 사용하여 모델링하였다. 충격자와 충격 시편은 충돌하기 직전의 모습으로 모델링 하였으며, 충격자 각각의 절점에 충격방향으로 충격 전의 속도를 부여하였다. 충격시편의 하단면이 볼트에 의해 로드셀과 완전하게 결합되는 것을 모사하기 위해 RAX2 강체 요소가 사용되었다.
- 충격하중 흡수율은 고무재료가 적층되지 않는 상태의 충격하중을 기준으로 고무재료가 적층된상태에서 발생되는 최대충격하중의 값을 비율로서 계산하였다. 충격하중 흡수율은 식(1)과 같다.
- 충격시편의 하단면이 볼트에 의해 로드셀과 완전하게 결합되는 것을 모사하기 위해 RAX2 강체 요소가 사용되었다. 충격하중은 충격시편 하단의 RAX2 요소와 연동되어 있는 기준 절점 (reference node) 에서 축방향의 하중을 즉정하였다. 충격시편의 기준절점은 6자유도를 구속하였다.
- Gilchrist 및 Masso-Moreu[2]등은 유한요소 해석과 충격실험을 통해서 폴리스텔렌 폼의 충격 특성을 분석하였다. 폴리스틸렌 폼으로 피라미드형 상의 충격흡수 장치를 고안하여, 피라미드의 형상 각도 변화에 따른 충격흡수특성을 분석하였다. Iannace 등 [3] 은 충격하중을 받는 폴리프로필렌 (poly-propylene) 폼의 응력과 변형률 관계가 선형적으로 제시되는 것을 가정하여 고무의 충격 특성을 분석하였다.
- 형상 변화에 따른 특성분석은 적층된 고무의 두께를 5 ~ 20 mm 까지 변화시켜 분석하였으며, 연구결과는 다음과 같다.
- 형상변수는 Fig. 4 에서 제시한 것과 같이 적층된 고무의 두께를 5 ~ 20 mm 까지 변화된 조건을 실험적으로 측정하였으며, Fig. 12(b)와 같이 확장된 시편 형상에 대한 조건을 유한요소 해석으로 분석하였다. 해석결과는 Fig.
대상 데이터
- 75 mm 의 진폭, 5 ~ 25 ℃ 의 온도, 5 ~ 100 Hz 주파수이다. NR 55, NR65 고무재료의 동특성 시험조건은 NR45 시험조건과 온도와 주파수는 동일하게 고려하였으나 진폭은 Table 3 에서 제시한 1.56, 1.29 mm 를 적용하여 실험하였다.
- )로서, 시험 주파수 범위는 5 ~ 100 Hz, 시험온도 범위는 -50 ~ 150r 이다. 고무의 동특성 시험을 위한 시편직경은 10 mm 이며, 높이는 13 mm 이다. 온도조건은 5 ~ 25℃, 주파수 조건은 5 ~ 100 Hz 를 고려 하였다.
- 사용하였다 [4]. 시편의 형상은 원주 형으로 제작되었으며, 표준시편의 크기는 직경이 29 mm 두께가 13 mm 이다. 고무의 재질변화에 따른 충격 특성은 5 종의 경도를 이용하였다.
- 충격시험을 위한 시편의 형상과 크기는 ASTM 반발탄성 시험에서 제시한 시편과 동일한 크기와 형상을 사용하였다 [4]. 시편의 형상은 원주 형으로 제작되었으며, 표준시편의 크기는 직경이 29 mm 두께가 13 mm 이다.
- 고무시편의 두께와 직경에 대한다양한 형상비를 분석하기 위해 5, 10, 15, 20 mm의 고무 두께를 고려하였다. 충격흡수율 평가는 고무 재료가 적층되지 않은 충격시편을 기준시편으로 사용하였다.
- 재질변화에 따른 충격흡수 특성을 분석하기 위한 고무시편의 형상은 직경 29 mm, 두께 13 mm 인 표준시편의 크기를 동일하게 적용하였다. 형상변화에 따른 충격 흡수 특성 분석은 직경은 29 mm 이며, 두께는 5 ~ 20 mm 까지 변화된 고무시편을 사용하였다.
데이터처리
- 5 종의 고무 경도는 제작사의 표기법에 따라 NR45, NR50, NR55, NR60, NR65 로 구분하였다. NR45 부터 NR65 까지의 IRHD (International Rubber Hardness Degree)고무경도는 5 회의 측정결과로부터 얻은 평균값을 취하였으며, 그 결과를 Table 1 에제시하였다. 재질변화에 따른 충격흡수 특성을 분석하기 위한 고무시편의 형상은 직경 29 mm, 두께 13 mm 인 표준시편의 크기를 동일하게 적용하였다.
- 또한 ABAQUS/Explicit 를 이용하여 유한요소해석을 수행하였으며 , 실험결과와 비교하였다. 고무 재료의 동적 물성을 측정하기 위해 충격실험으로부터 얻은 최대 변형량(max.
이론/모형
- 결과를 얻기 위해 수행되었다. 본 연구에서는 비선형해석과 충격해석이 가능한 ABAQUS/ Explicit 를 사용하였다 [7]. 유한요소해석에 사용된 형상 모델은 실험에서 사용된 충격자와 충격시편의기하학적 형상데이터를 동일하게 모델링하였다.
성능/효과
- (1) 고무재료의 정적물성 시험으로 얻은 비선형재료상 수는 충격해석에 적합하지 않으며, 0.3 ~1.5 J 의 충격에너지 조건에서 최대 30%정도의 오차가 발생된다.
- (2) 고무의 동적 탄성계수는 충격펄스의 최대변형량과 충격지속시간으로부터 얻어진 진폭과 주파수를 적용하여 동특성 시험을 수행하고 WLF 모델을 적용하여 높은 주파수 대역의 동강성 (dynamic modulus)을 예측할 수 있다.
- (3) 직경과 두께의 형상비 변화에 따른 충격흡수율은 형상비의 증가에 따라 흡수율이 증가되나 50 ~ 70%구간부터 100%까지 충격흡수율이 안정화 된다.
- (4) 고무의 경도증가와 충격에너지의 증가는 충격하중 수율을 감소시키며, 0.3 ~ 1.5J 의 충격에너지 영역에서는 충격흡수율의 증감이 비례적인 관계를 나타낸다.
- 동적 탄성계수를 적용한 유한요소해석 결과는 Fig. 11(a)에서와 같이 실험 결과와 우수하게 일치되므로 동특성 시험과 WLF 모델 적용에 따른 동적 탄성계수 획득방법의 신뢰성이 입증되었다. 고무의 경도가 낮을수록 충격흡수율이 우수하며, 경도 증가량에 비례적으로 증가되는경향을 얻을 수 있었다.
- 나타낸다. NR45 고무는 2.63 MPa 의 동강성이 나타났으며, NR55 와 NR65 고무는 5.35 MPa, 6.97 Mpa 이 예측되었다.
- 11(a)에서와 같이 실험 결과와 우수하게 일치되므로 동특성 시험과 WLF 모델 적용에 따른 동적 탄성계수 획득방법의 신뢰성이 입증되었다. 고무의 경도가 낮을수록 충격흡수율이 우수하며, 경도 증가량에 비례적으로 증가되는경향을 얻을 수 있었다. 또한 충격에너지의 증가에 따라 충격흡수율이 감소되는 경향을 얻을 수 있었다.
- 고무의 형상비가 증가될수록 충격흡수율은 일정 한 기 울기 특성 으로 증가되 나 형 상비 가 50 ~ 70% 의 구간부터 100%까지 안정화 되는 특성을 볼 수 있었다. 또한 형상비의 어떠한 변화조건에서도 평균흡수율은 최대 70%정도 발생됨을 알 수 있었다.
- 고무의 경도가 낮을수록 충격흡수율이 우수하며, 경도 증가량에 비례적으로 증가되는경향을 얻을 수 있었다. 또한 충격에너지의 증가에 따라 충격흡수율이 감소되는 경향을 얻을 수 있었다. Fig.
- 또한 형상비의 어떠한 변화조건에서도 평균흡수율은 최대 70%정도 발생됨을 알 수 있었다.
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